JP2021046840A

JP2021046840A - 触媒温度制御システム

Info

Publication number: JP2021046840A
Application number: JP2019170669A
Authority: JP
Inventors: 研一郎津田; Kenichiro Tsuda
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-03-25

Abstract

【課題】電気ヒータやポスト噴射を使用せずとも、触媒温度が適正温度を下回る場合に、触媒温度を迅速に昇温させる事が出来る触媒温度制御システムを提供する。【解決手段】排気ガス１１２の有害物質１１３を浄化する触媒１０１と、エンジン冷却水１１５が循環される主冷却回路１０２及び副冷却回路１０３と、排気ガス１１２と化学蓄熱材１１６との間で熱交換する第一熱交換器１０４と、反応材１１７とエンジン冷却水１１５との間で熱交換する第二熱交換器１０５と、エンジン冷却水１１５を冷却する冷却器１０６と、第一熱交換器１０４側と第二熱交換器１０５側との間で反応材１１７を移送させる移送路１０７と、エンジン冷却水１１５を主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給する供給路１０８と、エンジン冷却水１１５を副冷却回路１０３から主冷却回路１０２に回収する回収路１０９と、を備える触媒温度制御システム１００で課題を解決する事が出来る。【選択図】図１

Description

触媒温度が触媒での有害物質の浄化率が最大と成る適正温度を下回る場合に、触媒温度を迅速に昇温させる事が出来る触媒温度制御システムに関する。

エンジンの排気管には、排気管を通る排気ガスに含有される有害物質を浄化する排気ガス後処理装置が設置される。排気ガス後処理装置は、触媒を含む。触媒温度が適正温度を下回る場合は、触媒での有害物質の浄化率が低下するので、触媒温度を迅速に昇温させる事が望ましいので、従来の触媒温度制御システムでは、電気ヒータやポスト噴射を使用して排気ガス温度を昇温させる事で触媒温度を昇温させている。

特開２０１１−１９６３４５号公報特開２０１２−１２７３２３号公報特開平８−２４５７６号公報特開２０１５−１６５１７８号公報

石原、外3名、「マツダCX-7用尿素SCRシステムの開発」、マツダ技報(Web)、2010年7月、第28号、p.44-48 伊藤、外1名、「コモンレールによるディーゼル排気ガスの浄化」、デンソーテクニカルレビュー、2002年5月、第7巻、第1号、p.20-28

然し乍ら、電気ヒータを使用する場合は、大きな電力や電流が必要と成るので、バッテリの負荷が増大するという課題が生じる。また、ポスト噴射を使用する場合は、余分な燃料を消費するので、燃費が悪化するという課題が生じる。

以上の事情に鑑み、電気ヒータやポスト噴射を使用せずとも、触媒温度が適正温度を下回る場合に、触媒温度を迅速に昇温させる事が出来る触媒温度制御システムを提供する事を目的とする。

エンジンの排気管に設置され、前記排気管を通る排気ガスに含有される有害物質を浄化する触媒と、前記エンジンを冷却するエンジン冷却水が循環される主冷却回路と、前記エンジン冷却水が循環される副冷却回路と、前記排気管を通じて前記触媒に流入される前記排気ガスと化学蓄熱材との間で熱交換する第一熱交換器と、前記副冷却回路に設置され、前記化学蓄熱材と化学反応する反応材と前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水との間で熱交換する第二熱交換器と、前記副冷却回路に設置され、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を冷却する冷却器と、前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間に接続され、前記第一熱交換器側と前記第二熱交換器側との間で前記反応材を相互に移送させる移送路と、前記主冷却回路と前記副冷却回路との間に接続され、前記主冷却回路を通る前記エンジン冷却水を前記主冷却回路から前記副冷却回路に供給する供給路と、前記副冷却回路と前記主冷却回路との間に接続され、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を前記副冷却回路から前記主冷却回路に回収する回収路と、を備える触媒温度制御システムを提供する。

前記主冷却回路に設置され、前記主冷却回路を通る前記エンジン冷却水を圧送する主ウォータポンプと、前記副冷却回路に設置され、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を圧送する副ウォータポンプと、を更に備える事が望ましい。

前記主ウォータポンプは、前記エンジンを使用して機械的に駆動され、もしくはバッテリを使用して電気的に駆動され、前記副ウォータポンプは、バッテリを使用して電気的に駆動される事が望ましい。

前記副ウォータポンプは、触媒温度が前記触媒での有害物質の浄化率が最大と成る適正温度を下回る場合に停止され、前記エンジンが駆動されており、前記触媒温度が前記適正温度を上回る場合に駆動される事が望ましい。

前記移送路に設置され、前記移送路を通じて前記第一熱交換器側と前記第二熱交換器側との間で相互に移送される前記反応材の流量を調整する第一弁を更に備える事が望ましい。

前記第一弁は、前記エンジンが駆動されており、触媒温度が前記触媒での有害物質の浄化率が最大と成る適正温度を下回り、且つ前記第二熱交換器側に存在する前記反応材の量が予め設定される発熱下限量を上回る場合に、前記反応材を前記第二熱交換器側から前記第一熱交換器側に移送させて前記化学蓄熱材を発熱反応させるべく開かれた後、前記触媒温度が前記適正温度まで昇温されたか、又は前記反応材が前記第二熱交換器側から前記第一熱交換器側に全て移送された場合に閉じられる事が望ましい。

前記供給路に設置され、前記供給路を通じて前記主冷却回路から前記副冷却回路に供給される前記エンジン冷却水の流量を調整する第二弁と、前記回収路に設置され、前記回収路を通じて前記副冷却回路から前記主冷却回路に回収される前記エンジン冷却水の流量を調整する第三弁と、を更に備える事が望ましい。

前記冷却器は、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を空冷する事が望ましい。

電気ヒータやポスト噴射を使用せずとも、触媒温度が適正温度を下回る場合に、触媒温度を迅速に昇温させる事が出来る触媒温度制御システムを提供する事が出来る。

触媒温度制御システムの構成を説明する図である。触媒温度制御システムの動作を説明する図である。触媒温度制御システムの動作を説明する図である。

以下、実施の形態を添付図面に順って説明する。

［全体の構成］
図１に示す様に、触媒温度制御システム１００は、触媒１０１と、主冷却回路１０２と、副冷却回路１０３と、第一熱交換器１０４と、第二熱交換器１０５と、冷却器１０６と、移送路１０７と、供給路１０８と、回収路１０９と、を備える。

触媒１０１は、エンジン１１０の排気管１１１に設置され、排気管１１１を通る排気ガス１１２に含有される有害物質１１３を浄化するものである。排気管１１１には、排気管１１１を通る排気ガス１１２に含有される有害物質１１３を浄化する排気ガス後処理装置１１４が設置される。即ち、触媒１０１は、排気ガス後処理装置１１４に含まれる。触媒１０１は、例えば、ＳＣＲ（Selective Catalystic Reduction）触媒やＬＮＴ（Lean NO_X Trap）触媒である。有害物質１１３は、例えば、窒素酸化物である。排気ガス後処理装置１１４は、例えば、ＳＣＲやＬＮＴである。

主冷却回路１０２と副冷却回路１０３は、エンジン１１０を冷却するエンジン冷却水１１５が循環されるものである。主冷却回路１０２は、エンジン１１０を冷却するべく使用される。副冷却回路１０３は、第二熱交換器１０５を加熱又は冷却するべく使用される。

第一熱交換器１０４は、排気管１１１を通じて触媒１０１に流入される排気ガス１１２と化学蓄熱材１１６との間で熱交換するものである。第二熱交換器１０５は、副冷却回路１０３に設置され、化学蓄熱材１１６と化学反応する反応材１１７と副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５との間で熱交換するものである。化学蓄熱材１１６は、例えば、第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に移送する事が出来ない様に第一熱交換器１０４に封入される。反応材１１７は、例えば、第一熱交換器１０４側と第二熱交換器１０５側との間で相互に移送する事が出来る様に第一熱交換器１０４及び／又は第二熱交換器１０５に封入されるので、第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁と第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂とが逆相関（逆比例）する。即ち、反応材１１７の総量を１とし、移送路１０７に存在する反応材１１７の量を無視すると、第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁が０．１であれば、第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂は０．９と成り、第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁が０．９であれば、第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂は０．１と成る。第一熱交換器１０４側及び／又は第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂は、質量センサ等を第一熱交換器１０４や第二熱交換器１０５に設置する事で把握する事が出来る。反応材１１７を使用すると、化学蓄熱材１１６に発熱反応や吸熱反応を生じさせる事が出来る。化学蓄熱材１１６は、例えば、酸化カルシウムである。反応材１１７は、例えば、水である。酸化カルシウムと水との組み合わせは、ＣａＯ＋Ｈ₂Ｏ⇔Ｃａ（ＯＨ）₂＋熱（６３．７ｋＪ／ｍｏｌ）で示される可逆反応性を有するので、酸化カルシウムを化学蓄熱材１１６に使用し、水を反応材１１７に使用すると、化学蓄熱材１１６に発熱反応（加水）や吸熱反応（脱水）を繰り返し生じさせる事が出来る。

冷却器１０６は、副冷却回路１０３に設置され、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５を冷却するものである。冷却器１０６は、例えば、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５を空冷する。具体的に言えば、冷却器１０６は、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５と大気（外気）との間で熱交換するラジエータ１１８と、ラジエータ１１８を冷却する冷却ファン１１９と、を含む。冷却ファン１１９は、例えば、バッテリ１２０で駆動される。冷却ファン１１９は、制御装置１２１で制御される。制御装置１２１は、例えば、エンジンコントロールユニットである。副冷却回路１０３では、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度を最大で大気温度まで降温させる事が出来るので、主冷却回路１０２のみを使用する場合よりもエンジン冷却水１１５の温度を降温させる事が出来る。

移送路１０７は、第一熱交換器１０４と第二熱交換器１０５との間に接続され、第一熱交換器１０４側と第二熱交換器１０５側との間で反応材１１７を相互に移送させるものである。反応材１１７は、第一熱交換器１０４側の圧力と第二熱交換器１０５側の圧力との差に応じて移送路１０７を通じて移送される。図では、移送路１０７が単一の経路で示されるが、移送路１０７は、例えば、反応材１１７を第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に移送させる第一経路と、反応材１１７を第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に移送させる第二経路と、を含む事も出来る。即ち、移送路１０７は、単一の経路で構成されても良いし、複数の経路で構成されても良い。

供給路１０８は、主冷却回路１０２と副冷却回路１０３との間に接続され、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５を主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給するものである。回収路１０９は、副冷却回路１０３と主冷却回路１０２との間に接続され、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５を副冷却回路１０３から主冷却回路１０２に回収するものである。主冷却回路１０２は、主冷却回路１０２に接続される供給路１０８の端部１２２と主冷却回路１０２に接続される回収路１０９の端部１２３との間に接続され、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５に供給路１０８を迂回させる迂回路１２４を備える。

触媒温度制御システム１００は、主ウォータポンプ１２５と、副ウォータポンプ１２６と、を更に備える。主ウォータポンプ１２５は、主冷却回路１０２に設置され、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５を圧送するものである。副ウォータポンプ１２６は、副冷却回路１０３に設置され、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５を圧送するものである。副ウォータポンプ１２６は、主ウォータポンプ１２５よりも容量が小さい小型ポンプである。主ウォータポンプ１２５は、例えば、エンジン１１０を使用して機械的に駆動されるので、エンジン１１０が駆動されている間は常に駆動される。但し、主ウォータポンプ１２５は、バッテリ１２０を使用して電気的に駆動されても良い。副ウォータポンプ１２６は、例えば、バッテリ１２０を使用して電気的に駆動されるので、バッテリ１２０が十分に充電されていれば、エンジン１１０が駆動又は停止されている間に任意に駆動させる事が出来る。副ウォータポンプ１２６は、触媒温度Ｔが触媒１０１での有害物質１１３の浄化率が最大と成る適正温度Ｔ_Sを下回る場合に停止され、エンジン１１０が駆動されており、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回る場合に駆動されるので、エンジン１１０が駆動されている間に副ウォータポンプ１２６が常に駆動される場合よりもバッテリ１２０の電力を節約する事が出来る。但し、副ウォータポンプ１２６は、エンジン１１０が駆動されており、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回る場合でも、第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁が予め設定される吸熱下限量Ｌ_-Qを下回る場合は停止される。触媒温度Ｔは、温度センサを触媒１０１に設置する事で直接的に測定しても良いし、温度センサを触媒１０１の入口側又は出口側に設置する事で排気ガス温度から推定したり、エンジン１１０の運転状態から推定したりする事で間接的に測定しても良い。適正温度Ｔ_Sは、触媒１０１での有害物質１１３の浄化率が最大と成る温度を意味し、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを下回る場合も上回る場合も触媒１０１での有害物質１１３の浄化率が低下する。吸熱下限量Ｌ_-Qの詳細は後述される。副冷却回路１０３では、副ウォータポンプ１２６と冷却器１０６と第二熱交換器１０５とが記載の順に環状に配置され、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５が副ウォータポンプ１２６から冷却器１０６と第二熱交換器１０５とを記載の順に通って副ウォータポンプ１２６に循環される。供給路１０８は、冷却器１０６と第二熱交換器１０５との間で副冷却回路１０３に接続され、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５を、副冷却回路１０３を通って冷却器１０６から第二熱交換器１０５に向かうエンジン冷却水１１５に合流させる。回収路１０９は、第二熱交換器１０５と副ウォータポンプ１２６との間で副冷却回路１０３に接続され、副冷却回路１０３を通って第二熱交換器１０５から副ウォータポンプ１２６に向かうエンジン冷却水１１５を、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５に合流させる。

触媒温度制御システム１００は、副冷却回路１０３に設置され、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の逆流を防止する逆止弁１２７を更に備える。副冷却回路１０３では、副ウォータポンプ１２６と冷却器１０６と逆止弁１２７と第二熱交換器１０５とが記載の順に環状に配置される。供給路１０８は、逆止弁１２７と第二熱交換器１０５との間で副冷却回路１０３に接続される。供給路１０８を通じて主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給されるエンジン冷却水１１５の冷却器１０６や副ウォータポンプ１２６への逆流を防止する事が出来るので、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の流れが阻害されない。

触媒温度制御システム１００は、第一弁１２８と、第二弁１２９と、第三弁１３０と、第四弁１３１と、を更に備える。第一弁１２８は、移送路１０７に設置され、移送路１０７を通じて第一熱交換器１０４側と第二熱交換器１０５側との間で相互に移送される反応材１１７の流量を調整するものである。第二弁１２９は、供給路１０８に設置され、供給路１０８を通じて主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給されるエンジン冷却水１１５の流量を調整するものである。第三弁１３０は、回収路１０９に設置され、回収路１０９を通じて副冷却回路１０３から主冷却回路１０２に回収されるエンジン冷却水１１５の流量を調整するものである。第四弁１３１は、迂回路１２４に設置され、迂回路１２４を通じて供給路１０８を迂回されるエンジン冷却水１１５の流量を調整するものである。第一弁１２８と第二弁１２９と第三弁１３０と第四弁１３１は、制御装置１２１で制御される。

［触媒温度が適正温度を下回る場合の動作］
第一弁１２８は、エンジン１１０が駆動されており、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを下回り、且つ第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂が予め設定される発熱下限量Ｌ_+Qを上回る場合に、反応材１１７を第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に移送させて化学蓄熱材１１６を発熱反応させるべく開かれた後、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで昇温されたか、又は反応材１１７が第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に全て移送された場合に閉じられる。発熱下限量Ｌ_+Qは、化学蓄熱材１１６と発熱反応させる事で触媒温度Ｔの昇温に十分に寄与する事が出来る程度の反応材１１７の量を基準に設定される。即ち、僅かな量の反応材１１７を化学蓄熱材１１６と発熱反応させても、触媒温度Ｔの昇温に殆ど寄与する事が出来ないので、第一熱交換器１０４側への供給元と成る第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂が僅かな場合は、反応材１１７を第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に敢えて移送させる必要は無い。但し、発熱下限量Ｌ_+Qがゼロに設定される態様は排除されない。化学蓄熱材１１６の発熱反応を利用するので、エンジン１１０の排熱のみを利用する場合と比較すると、例えば、冷間始動時や寒冷時に触媒温度Ｔを適正温度Ｔ_Sまで迅速に昇温させる事で触媒１０１での有害物質１１３の浄化率を早期に向上させる事が出来る。触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで昇温されたか、又は反応材１１７が第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に全て移送された場合に第一弁１２８が閉じられるので、触媒温度Ｔの昇温後に反応材１１７の第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側への移送を防止する事で化学蓄熱材１１６の吸熱反応に起因する触媒温度Ｔの降温を防止する事が出来る。第二弁１２９と第三弁１３０は、エンジン１１０が駆動されており、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを下回り、且つ第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂が発熱下限量Ｌ_+Qを上回る場合に第一弁１２８と共に開かれた後、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで昇温されたか、又は反応材１１７が第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に全て移送された場合に第一弁１２８と共に閉じられる。第二弁１２９と第三弁１３０とが開かれると、副冷却回路１０３にエンジン冷却水１１５が供給されるので、第二熱交換器１０５側を第一熱交換器１０４側よりも低温に維持する事が出来る。第二弁１２９と第三弁１３０とが閉じられると、副冷却回路１０３にエンジン冷却水１１５が供給されないので、圧力損失や主ウォータポンプ１２５に掛かる負荷を低減する事が出来ると共に、主冷却回路１０２でのエンジン冷却水１１５の流量確保に繋がる。第一弁１２８と第二弁１２９と第三弁１３０とが閉じられると、化学蓄熱材１１６の発熱反応に伴って触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回った場合に備えて副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９とが駆動される。第一弁１２８と第二弁１２９と第三弁１３０とが閉じられ、副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９とが駆動されると、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度を主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５の温度よりも降温させる事が出来るので、第二熱交換器１０５側の圧力を第一熱交換器１０４側の圧力よりも大幅に低下させておく事が出来る。化学蓄熱材１１６の発熱反応に伴って触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回った場合は、後述の動作に従って再び第一弁１２８を開くが、第二熱交換器１０５側の圧力が第一熱交換器１０４側の圧力よりも大幅に低ければ、反応材１１７の第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側への移送が効率的に行われるので、化学蓄熱材１１６の吸熱反応に起因する触媒温度Ｔの降温が迅速に行われる。第四弁１３１は、第二弁１２９と第三弁１３０とが閉じられる場合に開かれ、第二弁１２９と第三弁１３０とが開かれる場合に閉じられる。第二弁１２９と第三弁１３０とが閉じられる場合に第四弁１３１が開かれるので、副冷却回路１０３でのエンジン冷却水１１５の循環を主冷却回路１０２でのエンジン冷却水１１５の循環から独立させる事で副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度を低温に維持する事が出来る。第二弁１２９と第三弁１３０とが開かれる場合に第四弁１３１が閉じられるので、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５を主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給する際に、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５の全量を主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給する事で副冷却回路１０３でのエンジン冷却水１１５の循環を早期に実現する事が出来る。エンジン１１０の冷間始動時は、エンジン冷却水１１５の温度が大気温と同程度であるものの、始動後は、エンジン冷却水１１５の温度が徐々に上昇し、大気温よりも高く成る。よって、エンジン冷却水１１５を主冷却回路１０２から第二熱交換器１０５へ流す事で、第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の温度や圧力を、外気熱を利用する場合よりも高くする事が出来る。第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の圧力を高くする事で、第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の第一熱交換器１０４側への移送速度、及び第一熱交換器１０４での化学蓄熱材１１６への反応材１１７の物質拡散速度の向上が期待出来る。移送速度及び物質拡散速度の向上は、発熱反応速度の向上に繋がるので、触媒温度Ｔの迅速な昇温が可能に成る。

［触媒温度が適正温度を上回る場合の動作］
第一弁１２８は、エンジン１１０が駆動されており、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回り、且つ第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁が吸熱下限量Ｌ_-Qを上回る場合に、反応材１１７を第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に移送させて化学蓄熱材１１６を吸熱反応させるべく開かれた後、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで降温されたか、又は反応材１１７が第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に全て移送された場合に閉じられる。吸熱下限量Ｌ_-Qは、化学蓄熱材１１６と吸熱反応させる事で触媒温度の降温に十分に寄与する事が出来る程度の反応材１１７の量を基準に設定される。即ち、僅かな量の反応材１１７を化学蓄熱材１１６と吸熱反応させても、触媒温度Ｔの降温に殆ど寄与する事が出来ないので、第二熱交換器１０５側への供給元と成る第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁が僅かな場合は、反応材１１７を第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に敢えて移送させる必要は無い。但し、吸熱下限量Ｌ_-Qを０に設定する態様を排除しない。従来の触媒温度制御システムでは、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回る場合でも、触媒温度Ｔを降温させる事が出来ないので、触媒温度Ｔを適正温度Ｔ_Sに維持する事が困難である。一方、触媒温度制御システム１００では、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回る場合に化学蓄熱材１１６の吸熱反応で触媒温度Ｔを降温させる事が出来るので、触媒温度Ｔを適正温度Ｔ_Sに維持する事で触媒１０１での有害物質１１３の浄化率を最大に維持する事が容易である。触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで降温されたか、又は反応材１１７が第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に全て移送された場合に第一弁１２８が閉じられるので、触媒温度Ｔの降温後に反応材１１７の第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側への移送を防止する事で化学蓄熱材１１６の発熱反応に起因する触媒温度Ｔの昇温を防止する事が出来る。

［エンジンを停止させる際の動作］
第一弁１２８は、エンジン１１０を停止させる際に第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂が発熱下限量Ｌ_+Qを下回る場合に、反応材１１７を第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に移送させて第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂を発熱下限量Ｌ_+Qを上回らせるべく、エンジン１１０が停止されている間は開かれる。反応材１１７は、最終的に第一熱交換器１０４側の圧力と第二熱交換器１０５側の圧力とが平衡と成るまで、第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に移送される。再びエンジン１１０を駆動させる際に、反応材１１７を第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に移送させると、触媒温度Ｔを適正温度Ｔ_Sまで迅速に昇温させる事が出来るので、触媒１０１での有害物質１１３の浄化率を早期に向上させる事が出来る。第一弁１２８は、エンジン１１０が停止されている間は開かれたままとされても良いし、エンジン１１０の停止後の所定時間経過後（反応材１１７が第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側にある程度移送された後）に閉じられても良い。

［触媒温度制御］
図２及び３に示す様に、触媒温度制御システム１００は、エンジン１１０を駆動させると、触媒温度昇温制御Ｍ１００と触媒温度降温制御Ｍ２００とを繰り返す。第一弁１２８と第二弁１２９と第三弁１３０は初期状態で閉じられており、第四弁１３１は初期状態で開かれており、副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９は、初期状態で停止されている。

図２に示す様に、触媒温度昇温制御Ｍ１００のステップＳ１０１では、制御装置１２１で、触媒温度Ｔと第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂とが把握され、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを下回るか否か、第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂が発熱下限量Ｌ_+Qを上回るか否かが判断される。触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを下回り、且つ第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂が発熱下限量Ｌ_+Qを上回る場合はステップＳ１０２に進み、他の場合はステップＳ１０１を繰り返す。

ステップＳ１０２では、制御装置１２１によって第一弁１２８が開かれるので、反応材１１７が移送路１０７を通じて第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に移送される。同様に、制御装置１２１によって第二弁１２９と第三弁１３０とが開かれ、第四弁１３１が閉じられるので、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５の全量が供給路１０８を通じて主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給され、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の全量が回収路１０９を通じて副冷却回路１０３から主冷却回路１０２に回収される。即ち、主冷却回路１０２と副冷却回路１０３とが接続され、主冷却回路１０２と副冷却回路１０３との間でエンジン冷却水１１５が循環される。第一熱交換器１０４側では、化学蓄熱材１１６と反応材１１７とが発熱反応する事で排気管１１１を通じて触媒１０１に流入される排気ガス１１２の温度が昇温されるので、触媒温度Ｔも昇温される。副冷却回路１０３では、逆止弁１２７によってエンジン冷却水１１５の冷却器１０６や副ウォータポンプ１２６への逆流が防止される。

ステップＳ１０２に続くステップＳ１０３では、制御装置１２１で、触媒温度Ｔと第二熱交換器１０５側に存在する反応材１１７の量Ｌ₂とが把握され、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで昇温されたか否か、反応材１１７が第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に全て移送されたか否かが判断される。触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで昇温されたか、又は反応材１１７が第二熱交換器１０５側から第一熱交換器１０４側に全て移送された場合はステップＳ１０４に進み、他の場合はステップＳ１０３を繰り返す。

ステップＳ１０４では、制御装置１２１によって第一弁１２８が閉じられるので、第一熱交換器１０４側と第二熱交換器１０５側との間の反応材１１７の移送が停止される。同様に、制御装置１２１によって第二弁１２９と第三弁１３０とが閉じられ、第四弁１３１が開かれるので、主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５が主冷却回路１０２から副冷却回路１０３に供給されなく成り、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５が副冷却回路１０３から主冷却回路１０２に回収されなく成る。即ち、主冷却回路１０２と副冷却回路１０３とが分離され、主冷却回路１０２と副冷却回路１０３との間でエンジン冷却水１１５が循環されなく成るので、圧力損失や主ウォータポンプ１２５に掛かる負荷が低減される。第一熱交換器１０４側では、化学蓄熱材１１６と反応材１１７との発熱反応が停止（抑制）され、発熱反応に伴う触媒温度Ｔの昇温が停止（抑制）される。

ステップＳ１０４に続くステップＳ１０５では、制御装置１２１によって副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９とが駆動されるので、副冷却回路１０３でのエンジン冷却水１１５の循環が主冷却回路１０２でのエンジン冷却水１１５の循環から独立して行われ、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度が主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５の温度よりも降温される。即ち、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度が最大で大気温度まで降温される。

一方、図３に示す様に、触媒温度降温制御Ｍ２００のステップＳ２０１では、制御装置１２１で、触媒温度Ｔと第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁とが把握され、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回るか否か、第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁が吸熱下限量Ｌ_-Qを上回るか否かが判断される。触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回り、且つ第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁が吸熱下限量Ｌ_-Qを上回る場合はステップＳ２０２に進み、他の場合はステップＳ２０１を繰り返す。

ステップＳ２０２では、制御装置１２１によって第一弁１２８が開かれるので、反応材１１７が移送路１０７を通じて第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に移送される。ステップＳ２０２が実行される際は、既に触媒温度昇温制御Ｍ１００を経て触媒温度Ｔが昇温され、触媒温度昇温制御Ｍ１００のステップＳ１０５で副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９とが駆動されているので、副冷却回路１０３でのエンジン冷却水１１５の循環が主冷却回路１０２でのエンジン冷却水１１５の循環から独立して行われ、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度が主冷却回路１０２を通るエンジン冷却水１１５の温度よりも降温されている。即ち、副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度が最大で大気温度まで降温されている。第一熱交換器１０４側では、化学蓄熱材１１６と反応材１１７とが吸熱反応する事で排気管１１１を通じて触媒１０１に流入される排気ガス１１２の温度が降温されるので、触媒温度Ｔも降温される。副冷却回路１０３を通るエンジン冷却水１１５の温度が最大で大気温度まで降温されており、第二熱交換器１０５側の圧力が第一熱交換器１０４側の圧力よりも大幅に低下されているので、反応材１１７の第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側への移送が効率的に行われ、化学蓄熱材１１６の吸熱反応に起因する触媒温度Ｔの降温が迅速に行われる。即ち、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sに早期に収束され、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回った事に起因する触媒１０１での有害物質１１３の浄化率の低下が早期に回復される。

ステップＳ２０２に続くステップＳ２０３では、制御装置１２１で、触媒温度Ｔと第一熱交換器１０４側に存在する反応材１１７の量Ｌ₁とが把握され、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで降温されたか否か、反応材１１７が第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に全て移送されたか否かが判断される。触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sまで降温されたか、又は反応材１１７が第一熱交換器１０４側から第二熱交換器１０５側に全て移送された場合はステップＳ２０４に進み、他の場合はステップＳ２０３を繰り返す。

ステップＳ２０４では、制御装置１２１によって第一弁１２８が閉じられるので、第一熱交換器１０４側と第二熱交換器１０５側との間の反応材１１７の移送が停止される。第一熱交換器１０４側では、化学蓄熱材１１６と反応材１１７との吸熱反応が停止（抑制）され、吸熱反応に伴う触媒温度Ｔの降温が停止（抑制）される。

ステップＳ２０４に続くステップＳ２０５では、制御装置１２１によって副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９とが停止されるので、副冷却回路１０３でのエンジン冷却水１１５の循環が停止される。ステップＳ２０５が実行される際は、既に触媒温度昇温制御Ｍ１００を経て触媒温度Ｔが昇温され、触媒温度昇温制御Ｍ１００のステップＳ１０４で、第二弁１２９と第三弁１３０とが閉じられており、第四弁１３１が開かれているので、主冷却回路１０２でのエンジン冷却水１１５の循環と副冷却回路１０３でのエンジン冷却水１１５の循環とが独立して行われている。即ち、ステップＳ２０４で副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９とが停止されても、主冷却回路１０２でのエンジン冷却水１１５の循環に何ら影響は無い。

触媒温度昇温制御Ｍ１００と触媒温度降温制御Ｍ２００とを経て、第一弁１２８と第二弁１２９と第三弁１３０と第四弁１３１と副ウォータポンプ１２６と冷却ファン１１９とが初期状態に復帰される。

従って、触媒温度制御システム１００によれば、電気ヒータやポスト噴射を使用せずとも、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを下回る場合に、触媒温度Ｔを迅速に昇温させる事が出来る。更に、適正温度を上回る場合も、触媒での有害物質の浄化率が低下するので、触媒温度を降温させる事が望ましいが、従来の触媒温度制御システムでは、電気ヒータやポスト噴射による触媒温度の昇温は行えるものの、触媒温度を降温させる機能が無く、触媒温度の降温は不可能であった。一方、触媒温度制御システム１００によれば、触媒温度Ｔが適正温度Ｔ_Sを上回る場合に、触媒温度Ｔを迅速に降温させる事が出来る。

以上の説明を纏めると、以下の通りである。

［課題］
（１）触媒温度が適正温度を下回る場合（特に、エンジンの冷間始動時）は、触媒での有害物質の浄化率が低い。

（２）触媒温度が適正温度を下回り、且つ第二熱交換器側に存在する反応材の温度が大気温度と同程度の場合は、第二熱交換器側から第一熱交換器側への反応材の移送速度、及び第一熱交換器内での反応材の物質拡散速度が上がらないので、触媒温度が迅速に昇温されず、触媒での有害物質の浄化率が迅速に上がらない。

（３）触媒温度が適正温度を上回った場合は、触媒での有害物質の浄化率が低下する。

（４）触媒温度が適正温度を上回った場合は、課題（２）を解決する為に第二熱交換器へエンジン冷却水を流す構造では、第二熱交換器側の温度がエンジン冷却水の温度以下に成らないので、第一熱交換器側から第二熱交換器側への反応材の移送が迅速に行えない。よって、触媒温度が迅速に降温されず、触媒での有害物質の浄化率が迅速に上がらない。

［解決手段］
（１）触媒前に化学蓄熱材が封入された第一熱交換器を設置し、第一熱交換器側へ反応材を移送する事で、化学反応熱を利用して触媒温度を上げる。尚、触媒温度を上げるだけであれば、第二熱交換器にエンジン冷却水を流す必要は無い。

（２）図２に記載した様に、第二熱交換器にエンジン冷却水を流す冷却水回路を形成する。動作は、第一弁、第二弁、及び第三弁を開け、第四弁を閉じ、エンジン冷却水を第二熱交換器に流す。

（３）第一弁を開け、第一熱交換器側から第二熱交換器側へ反応材を移送する。

（４）主冷却回路から独立した副冷却回路を形成する。動作は、第一弁を開け、第二弁及び第３弁を閉じ、副ウォータポンプ及び冷却ファンを稼動させる。

［効果］
（１）触媒温度が適正温度を下回る場合は、第一熱交換器での化学蓄熱材と反応材との化学反応発熱による触媒温度の昇温によって、排気ガス浄化率の向上が行える。

（２）触媒温度が適正温度を下回る場合は、第二熱交換器側に存在する反応材の温度及び圧力の高温及び高圧化による、第二熱交換器側から第一熱交換器側への反応材の移送速度、及び第一熱交換器での反応材の物質拡散速度の向上によって、化学反応発熱速度の向上が行え、結果的に、触媒温度の昇温迅速化が行える。

（３）適正温度を上回った場合は、第一熱交換器での化学蓄熱材の吸熱反応（蓄熱材からの反応材の脱離）による触媒温度の降温によって、排気ガス浄化率の向上が行える。

（４）触媒温度が適正温度を上回った場合は、第一熱交換器側から第二熱交換器側への迅速な反応材の移送による触媒温度の降温によって、排気ガス浄化率向上が行える。

１００触媒温度制御システム
１０１触媒
１０２主冷却回路
１０３副冷却回路
１０４第一熱交換器
１０５第二熱交換器
１０６冷却器
１０７移送路
１０８供給路
１０９回収路
１１０エンジン
１１１排気管
１１２排気ガス
１１３有害物質
１１４排気ガス後処理装置
１１５エンジン冷却水
１１６化学蓄熱材
１１７反応材
１１８ラジエータ
１１９冷却ファン
１２０バッテリ
１２１制御装置
１２２供給路の端部
１２３回収路の端部
１２４迂回路
１２５主ウォータポンプ
１２６副ウォータポンプ
１２７逆止弁
１２８第一弁
１２９第二弁
１３０第三弁
１３１第四弁

Claims

エンジンの排気管に設置され、前記排気管を通る排気ガスに含有される有害物質を浄化する触媒と、
前記エンジンを冷却するエンジン冷却水が循環される主冷却回路と、
前記エンジン冷却水が循環される副冷却回路と、
前記排気管を通じて前記触媒に流入される前記排気ガスと化学蓄熱材との間で熱交換する第一熱交換器と、
前記副冷却回路に設置され、前記化学蓄熱材と化学反応する反応材と前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水との間で熱交換する第二熱交換器と、
前記副冷却回路に設置され、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を冷却する冷却器と、
前記第一熱交換器と前記第二熱交換器との間に接続され、前記第一熱交換器側と前記第二熱交換器側との間で前記反応材を相互に移送させる移送路と、
前記主冷却回路と前記副冷却回路との間に接続され、前記主冷却回路を通る前記エンジン冷却水を前記主冷却回路から前記副冷却回路に供給する供給路と、
前記副冷却回路と前記主冷却回路との間に接続され、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を前記副冷却回路から前記主冷却回路に回収する回収路と、
を備える
事を特徴とする触媒温度制御システム。
前記主冷却回路に設置され、前記主冷却回路を通る前記エンジン冷却水を圧送する主ウォータポンプと、
前記副冷却回路に設置され、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を圧送する副ウォータポンプと、
を更に備える
請求項１に記載の触媒温度制御システム。
前記主ウォータポンプは、前記エンジンを使用して機械的に駆動され、もしくはバッテリを使用して電気的に駆動され、
前記副ウォータポンプは、バッテリを使用して電気的に駆動される
請求項２に記載の触媒温度制御システム。
前記副ウォータポンプは、触媒温度が前記触媒での有害物質の浄化率が最大と成る適正温度を下回る場合に停止され、前記エンジンが駆動されており、前記触媒温度が前記適正温度を上回る場合に駆動される
請求項２又は３に記載の触媒温度制御システム。
前記移送路に設置され、前記移送路を通じて前記第一熱交換器側と前記第二熱交換器側との間で相互に移送される前記反応材の流量を調整する第一弁を更に備える
請求項１乃至４の何れか一項に記載の触媒温度制御システム。
前記第一弁は、前記エンジンが駆動されており、触媒温度が前記触媒での有害物質の浄化率が最大と成る適正温度を下回り、且つ前記第二熱交換器側に存在する前記反応材の量が予め設定される発熱下限量を上回る場合に、前記反応材を前記第二熱交換器側から前記第一熱交換器側に移送させて前記化学蓄熱材を発熱反応させるべく開かれた後、前記触媒温度が前記適正温度まで昇温されたか、又は前記反応材が前記第二熱交換器側から前記第一熱交換器側に全て移送された場合に閉じられる
請求項５に記載の触媒温度制御システム。
前記供給路に設置され、前記供給路を通じて前記主冷却回路から前記副冷却回路に供給される前記エンジン冷却水の流量を調整する第二弁と、
前記回収路に設置され、前記回収路を通じて前記副冷却回路から前記主冷却回路に回収される前記エンジン冷却水の流量を調整する第三弁と、
を更に備える
請求項５又は６に記載の触媒温度制御システム。
前記冷却器は、前記副冷却回路を通る前記エンジン冷却水を空冷する
請求項１乃至７の何れか一項に記載の触媒温度制御システム。